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Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form


Einführung

Die Ultraschallmessung der Wanddicke von Prüfteilen mit komplexen Formen und sich ändernden Geometrien, wie bei Bogenstücken, mit hoher Auflösung ist sehr schwierig. Um die Messungen unter solchen Bedingungen zu erleichtern, hat Olympus den ersten flexiblen Phased-Array-Ultraschallsensor entwickelt, der sich an komplexe Formen anpassen kann und so neue Möglichkeiten in mehr Anwendungsbereichen schafft.

Problemstellung

Um die Dicke eines Bauteils mit einem Messkopf für konventionellen Ultraschall zu messen, muss der Messkopf in jedem gemessenen Punkt senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sein. Dieses Verfahren ist langsam, und korrosionsbedingter Lochfraß zwischen den Messpunkten kann leicht übersehen werden. Mit Phased-Array können große Flächen schnell und mit hoher Auflösung abgetastet werden. Normale lineare Phased-Array-Sensoren können sich jedoch nicht an die verschiedenen Geometrien eines Bauteils anpassen. Mit dem neuen flexiblen Phased-Array-Ultraschallsensor hat Olympus eine konkrete Lösung erarbeitet. Dieser Sensor ist speziell für die hochaufgelöste Darstellung der Dicke von Prüfteilen mit komplexen Formen ausgelegt. Ein möglicher Anwendungsbereich für solche Sensoren ist die Inspektion von Bögen, Biegungen, Düsen und von allen Bauteilen mit variabler Geometrie.

Lösung

Der neue Phased-Array-Sensor wird mit Blick auf Flexibilität und mechanische Widerstandsfähigkeit entwickelt und hergestellt, und weist außerdem verbesserte akustische Eigenschaften auf. Der Sensor ist aus flexiblem Verbundwerkstoff SC 1-3 hergestellt und verfügt somit über Flexibilität, akustische Impedanz und Skalierbarkeit.

Der flexible Phased-Array-Ultraschallsensor hat folgende Parameter:

Bestellnummer Teilenummer Frequenz (MHz) Anzahl Elemente Abstand (mm) Aktive Apertur (mm) Höhe (mm)
Q3300182 XACT-10036 5 64 1 64 6

Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form
Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form
Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form


Abbildung 1: Verschiedene Ansichten des flexiblen Phased-Array-Sensors von Olympus

Um den mechanischen Widerstand des Sensors zu testen, wurde er 500 Mal mit einer Frequenz von 10 Mal pro Minute über einen Radius von 2 Zoll gebogen. Alle Elemente des Sensors arbeiteten weiterhin fehlerfrei, es konnte kein Schaden festgestellt werden.

Es wurden auch die akustischen Eigenschaften des Sensors getestet. Genau wie jeder andere normale Phased-Array-Sensor mit denselben Parametern erzeugt auch dieser flexible Sensor Schallbündel. Der flexible Sensor steuert Schallbündel von ±30 LW ohne Gitterkeulen.

Die Bandbreite des Ultraschallimpulses liegt bei 62 % mit einer Mittenfrequenz von 5,0 MHz. Für die Darstellung von Korrosionsschäden oder Wanddicken ist dies ein annehmbarer Kompromiss in Anbetracht der Vorteile durch die Flexibilität des Sensors.

Bei Direktkontakt des Sensors mit Metallteilen beträgt der Totbereich normalerweise 5 mm. Mit einen Vorlaufkeil, z. B. aus Aqualene, kann der Totbereich auf 2-3 mm reduziert werden.

Ergebnis

Der flexible Phased-Array-Sensor von Olympus wurde mit einem OmniScan MX2 verbunden und an zwei Bogenstücken mit Anzeichen von innerer Korrosion getestet. Es wurden Sendemodulierungen („Focal Laws“) mit 4 Elementen beim Abtasten mit einer Longitudinalwelle von 0° über die gesamte Länge des Sensors verwendet. Die Abtastauflösung betrug 1 mm × 1 mm.

Der Sensor wurde auf einen flexiblen Vorlaufkeil aus Aqualene montiert, um den Kontakt mit dem Prüfteil zu verbessern und den Totbereich zu verkleinern. Auf die Rückseite des Sensors wurde eine Schicht Polymergel aufgetragen, um den vom Prüfer ausgeübten Druck gleichmäßig zu verteilen (Abbildung 2). An dieser Montage wurde ein Weggeber befestigt. (Es ist zu beachten, dass dies eine Versuchsanordnung ist, die noch nicht vermarktet wird).

Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form
Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form

Abbildung 2: Versuchsanordnung des Sensors beim Testen

Bogenstück Nr. 1

Bogenstück Nr. 1 hatte einen Außendurchmesser von 170 mm, eine Wanddicke von 17 mm und wies innere Korrosion auf (Abbildung 3). Der Sensor tastete in Achsrichtung ab, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Die Oberfläche wurde mit einer Auflösung vom 1 mm × 1 mm abgetastet. Auf dem B-Bild und C-Bild sind kleine Korrosionslöcher klar erkennbar (Abbildung 3). Die Software zeigt die Lage der Löcher an, so dass ihre Größe und Tiefe schnell gemessen werden können.

Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form
Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form


Abbildung 3: Links: B- und C-Bild von Korrosionslöchern; rechts: Bogenstück mit 170 mm Außendurchmesser

Bogenstück Nr. 2

Bogenstück Nr. 2 hatte einen Außendurchmesser von 220 mm und eine Wanddicke von 7 mm (Abbildung 4). Diese Komponente war von strömungsbeschleunigter Korrosion beschädigt.

Das C-Bild zeigt die von strömungsbeschleunigter Korrosion angegriffene Stelle deutlich als nach und nach korrodierten Bereich wachsender Größe (Abbildung 4). Rot zeigt Bereiche mit dünner Restwanddicke, blau zeigt Bereiche mit Nennwanddicke an (Abbildung 4). Es ist einfach, die Ausbreitung der Korrosion, sowie auch die verbleibende Mindestwanddicke zu messen.

Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form
Flexibler Phased-Array-Ultraschallsensor für die Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form


Abbildung 4: Links: B- und C-Bild mit strömungsbeschleunigter Korrosion an Bogenstück Nr. 2; rechts: Bogenstück mit 220 mm Außendurchmesser

Diese Tests zeigen, dass der Phased-Array-Sensor flexibel genug ist, um sich an die Bogenstücke anzupassen, und dass er die Dicke von komplexen Teilen akkurat messen kann.

Wichtiger Hinweis

Der flexible Phased-Array-Ultraschallsensor eignet sich gut zur Messung komplexer Formen, er ist aber kein hochstrapazierfähiges Werkzeug. Zur Erhaltung eines guten Signals muss konstanter Druck auf den Sensor ausgeübt werden. Auch muss die Kontaktfläche des Sensors während des Abtastens geschützt werden, da direktes Reiben auf rauem Untergrund die Sensorfläche beschädigt. Wird der Sensor mit Direktkontakt auf Metall eingesetzt, muss die Sensorfläche mit Teflonband geschützt werden. Es wird der Einsatz eines flexiblen Vorlaufkeils empfohlen. Ein Haltersatz für den flexiblen Phased-Array-Sensor ist derzeit nicht im Handel erhältlich.

Trotz dieser Begrenzungen ist der flexible Phased-Array-Sensor bei umsichtiger Anwendung sehr nützlich.

Zusammenfassung

Der flexible Phased-Array-Sensor hat bewiesen, dass er zur Inspektion von Bauteilen mit komplexer Form, wie etwa von Bogenstücken, geeignet ist. Er kann komplexe Komponenten mit sich verändernden Geometrien abtasten und hochaufgelöste Darstellungen der Dicke liefern.

Genau wie ein normaler Phased-Array-Sensor kann auch der flexible Sensor eine Sektor- und eine lineare Abtastung ausführen.

Hinweis: Der flexible Phased-Array-Sensor ist für spezifische Anwendungsbereiche konzipiert. In seiner derzeitigen Ausführung ist er nicht für alle Anwendungsbereiche und nicht in allen Fällen geeignet. Weitere Informationen erhalten Sie bei SCE.PM@olympus-ossa.com.

Olympus IMS
ProductsUsedApplications

Das OmniScan SX für Einzelgruppen ist leicht, besitzt einen hellen 8,4 Zoll (21,3 cm) großen Touchscreen und stellt eine kostengünstige Lösung dar. Zwei Modelle des OmniScan SX stehen zur Verfügung: das SX PA und das SX UT. Das SX PA (16:64PR) sowie das SX UT verfügen über einen Kanal für konventionellen Ultraschall für IE-, SE- und TOFD-Prüfungen.
Das OmniScan MX2 verfügt ab jetzt über das neue Phased-Array-Modul PA2 mit einem UT-Kanal und das UT2-Zweikanal-Modul für konventionellen Ultraschall, das auch für TOFD (Laufzeitbeugung) eingesetzt werden kann, sowie über neue Softwareprogramme, die die Leistungsfähigkeit der erfolgreichen OmniScan MX2 Plattform steigern.
Phased-Array Sensoren für bestimmte Anwendungsbereiche prüfen mit einem Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 18 MHz und besitzen 16, 32, 64 oder 128 Elemente. Spezialsensoren können mit bis zu hundert Elementen bestückt sein.
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